Als Microgrid wird im Allgemeinen ein System aus unterschiedlichen Erzeugern, konventioneller und regenerativer Art, verstanden, welches über ein lokales NS-Verteilernetz Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt. In solchen Systemen können unter Umständen auch Speicher sowie ein zentrales Energiemanagement mit einer dafür benötigten Kommunikationsstruktur vorhanden sein, um diverse Zielbestimmungen wie z.B.
bestmögliche Einbindung regenerative Energieträger erfüllen zu können. Des Weiteren besteht eventuell die Möglichkeit einer Verbindung zu einem öffentlichen Versorgungsnetz.
Unabhängig von den zuvor genannten Möglichkeiten herrscht in einem Microgrid Leistungsautonomie. Die benötigte Leistung wird von den Erzeugungseinheiten selbst aufgebracht. Neben der Leistungsautonomie, mit anderen Worten der Inselfähigkeit, müssen des Weiteren die Forderungen an die Qualität der elektrischen Versorgung erfüllt werden.
Das bedeutet, dass eine zuverlässige Versorgung in geforderter Qualität (Spannung hinsichtlich Amplitude, Form, Frequenz) zu gewährleisten ist. Die elektrischen Größen Frequenz und Spannung sollen im stationären wie auch im dynamischen Betrieb innerhalb definierter Grenzen gehalten werden.
Abb. 1-1 Definition Micro-/Minigrid nach IEA Task 11 (Quelle: IEA PVPS Task11)
Bei Inselanwendungen werden oft Diesel-Generatoren für die Erzeugung der elektrischen Energie verwendet. Aufgrund der Preisentwicklung und der ausgereiften technischen Möglichkeiten von Photovoltaik-Systemen werden diese vermehrt als Unterstützung von Diesel-Generatoren eingesetzt. Durch die Einbindung von "Sonnenstrom" ergeben sich Vorteile, wie die Reduktion an CO2-Emissionen und die Einsparung von Treibstoffkosten.
Infolge der Reduktion an Betriebskosten ist unter Umständen ein wirtschaftlicher Vorteil gegeben. Die Verringerung der CO2-Emissionen, durch die Integration der Photovoltaik, ist ein möglicher Beitrag um Ziele des Umweltschutzes zu erreichen. Jedoch gilt es auch gewisse Herausforderungen, nämlich die Abstimmung der einspeisenden Komponenten, unter Berücksichtigung der technischen Möglichkeiten und Grenzen, zu bedenken um einen
zuverlässigen Betrieb des Systems zu ermöglichen. Die Kombination aus konventionellen Erzeugern und PV-Systemen muss der Anforderung "stabiler Betrieb in geforderter Qualität"
entsprechen. Wie in der nachfolgenden Klassifizierung (Abb. 1-2) angedeutet, werden die Anforderungen an den Betrieb des Systems mit ansteigendem Leistungsanteil der Photovoltaik nur mit zunehmendem Aufwand zu erfüllen sein.
1.1 Definition Diesel Mini Grids nach IEA Task 11
Konventionelle Diesel Mini Grids sind auf der ganzen Welt verbreitet. Eine Anzahl von Dieselgeneratoren versorgt hierbei eine entlegene Stadt oder Siedlung auf einer Insel oder in sehr dünnbesiedelten Gebieten. Regenerative Erzeugungsanlagen in Form von PV-Anlagen werden eingesetzt, um in erster Linie Treibstoff zu sparen [1]. Eine mögliche Klassifizierung solcher Systeme erfolgt gemäß der Tabelle in Abbildung 1-2 anhand des leistungs- bzw.
energiebezogenen Anteils der regenerativen Quellen an der Gesamterzeugung.
Abb. 1-2 Klassifizierung von Diesel Minigrids [1, p. 4]
Der Leistungsanteil berechnet sich aus der Nennleistung der regenerativen Erzeuger durch die Spitzenlast des Versorgungsgebietes.
Der Energieanteil berechnet sich aus der jährlich erzeugten regenerativen Energie durch den Gesamtenergiebedarf [1, p. 3].
1.2 Besonderheiten Inselnetz
Im Gegensatz zu einem Verbundnetz ist ein Inselnetz räumlich eindeutig begrenzt, und wird meist aus einem Kraftwerk, oder eventuell nur aus einem Generator gespeist. Es besteht keine dauerhafte transformatorische Verbindung zu anderen Netzen. Aufgrund der geringen Entfernung (wenige km) zwischen Erzeugung und Verbrauch kann meist auf Hoch- und
Mittelspannungsebene verzichtet werden. Im Vergleich zum überregionalen Verbundnetz weisen Inselnetze einige Besonderheiten auf, wie z.B.
− zentrale Einspeisung der primären Versorgung an einer Stelle (bei mehreren Generatoren über Sammelschienensystem)
− Strahlennetz (wenn Ringe vorhanden sind, werden diese meist offen betrieben)
− leistungsmäßige und räumliche Begrenzung
− größere Frequenz und Spannungsschwankungen
Im Gegensatz zum Verbundnetz oder den ausgedehnten Netzen der öffentlichen Energieversorgung kommt dem Leistungsfluss im räumlich begrenzten Inselnetz für die Stabilität und die Betriebsführung keine große Bedeutung zu. Der wirtschaftliche Betrieb wird durch Zuschalten eines weiteren Generators, bzw. Stillsetzen eines in absehbarer Zeit nicht mehr benötigten Aggregates, erreicht. Von besonderem Interesse sind dagegen alle leistungsstarken Schaltvorgänge, und die damit verbundenen Schwankungen der Spannung und Frequenz [2, p. 9 ff.].
1.3 Spannungs- und Frequenzschwankungen im Inselnetz
Wie bereits angedeutet sind die Abweichungen von Spannung und Frequenz, beispielsweise infolge einer plötzlichen Laständerung in größerem Ausmaß zu erwarten als im öffentlichen Versorgungsnetz. In sogenannten Anforderungsklassen, nach Anforderungen bzw.
Empfindlichkeit der zu versorgenden Verbraucher, z.B. nach DIN 6280-13, oder ISO 8528-5, werden statische und dynamische Grenzwerte festgelegt. Diese festgelegten Werte sollen im Inselnetz-Betrieb eingehalten werden. In den beiden nachfolgenden Abbildungen sind
empfohlene Werte angeführt. Abbildung 1-3 stellt Angaben zu stationären Grenzwerten für Spannung und Frequenz dar. In der nachfolgenden Abbildung 1-4 sind Angaben hinsichtlich der dynamischen Verläufe der beiden Größen abgebildet. Eine Gesamtfassung der
Kenngrößen mit Beschreibung und math. Definitionen ist unter [3, p. 6 ff.] nachzulesen.
Abb. 1-3 Bsp. für statische Grenzwerte nach Anforderungsklassen [4, p. 83]
Abb. 1-4 Bsp. für dynamische Grenzwerte nach Anforderungsklassen [4, p. 83]
ISO 8528-x ist ein Normenwerk, welches darauf abzielt die Performance von Dieselgeneratoren in einheitlichen Standards zu definieren. Der fünfte Teil -Generating Sets- widmet sich dem dynamischen Verhalten von Dieselgeneratoren. Hersteller führen Testmessungen nach genannten Standards für unterschiedliche, sprungartige Belastungen des Dieselgenerators durch, um so das Einhalten der Grenzwerte nachzuweisen. Die Ergebnisse der sogenannten "Load Step Performance Tests" werden von Dieselmotorenherstellern, unter Angabe der Testbedingungen und der verwendeten Komponenten (Synchronmaschine, Regler) angegeben1. In den beiden nachfolgenden Abbildungen sind mögliche transiente Verläufe von Spannung und Frequenz für die beiden Fälle Belastung und Entlastung eines Dieselgenerators dargestellt. Des Weiteren sind charakterisierende Größen wie stationäres Toleranzband, max./min. transienter Abweichung und Ausregelzeit in den Diagrammen eingetragen. In Abbildung 1-5 ist ein dynamischer Frequenzverlauf dargestellt. Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass es sich um einen Regelungsvorgang mit statischer Frequenzabweichung handelt. Dies wird über den Proportional-Grad (Statik) beschrieben. Übliche Werte der Statik liegen im Bereich von 3-8%.
Abb. 1-5 Transienter Frequenzverlauf [3, p. 13]
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,\ … /
∆ …
1 Exemplarisch: Datenblatt eines 536 kW Dieselaggregats, Angaben zu Load-Test-Performance, abrufbar unter:
http://www.hodag.at/(S(op4edlbvrkpq12j3j2tbqc45))/Downloader.ashx?File=E%3A%5Cweb%5Chodagat0000%5Chtdocs%5CM edia%5CDownloads%5CProdukte%5CKomponenten%5CMotore%5CVolvo+Penta%5CTAD1642GE.pdf&AspxAutoDetectCooki eSupport=1
In Abbildung 1-6 ist der transiente Spannungsverlauf für die aufeinanderfolgenden Ereignisse, Belastung und Entlastung, exemplarisch dargestellt. Wie zu sehen ist wird die Spannung in beiden Fällen auf konstanten Wert (Nennspannung) ausgeregelt. Das Zuschalten der Last ist in den Diagrammen durch Zeitpunkt 1 gekennzeichnet. Bei Belastung/Entlastung werden sich die Größen, entsprechend des natürlichen Verhaltens des Aggregats, ändern. Infolge der Regelung ist es möglich definierte stationäre Werte zu erreichen. Der Übergang zwischen 2 stationären Betriebspunkten wird durch das Verhalten des Regelkreises bestimmt.
Abb. 1-6 Transienter Spannungsverlauf [3, p. 14]:
,\ … .\ . !"
,\ … # /
∆ … !"
Die Ausregelzeit und max. Abweichung der Frequenz/Spannung werden sich in Abhängigkeit der Auslegung des Dieselgenerators und Größe sowie Art der zugeschalteten Last ergeben.
1.4 Zielsetzung der Arbeit
Das Zusammenwirken von Dieselgeneratoren und PV-Systemen, infolge sich ändernder Belastungs- oder Erzeugungssituationen, soll mittels Simulation analysiert werden. Um dynamische Vorgänge betrachten zu können, bedarf es eines dafür geeigneten Simulationsmodells. Ziel ist es das dynamische Verhalten der Netzgrößen Spannung und Frequenz infolge sich ändernder Wirk- und Blindleistungsszenarien in einem PV-Microgrid zu simulieren. Im Zuge dieser Arbeit soll das Modell eines Dieselgenerators entwickelt und beschrieben werden. Das Modell wird aufgrund des bereits bestehenden Wechselrichtermodells der Firma Fronius in der Software Matlab/Simulink erarbeitet. Eine Überprüfung der Brauchbarkeit/Genauigkeit soll mittels Abgleich des Simulations-Ergebnisses und der zur Verfügung gestellten Messdaten eines 72.5 kVA Dieselaggregats erfolgen. Zur automatischen Identifikation der Modellparameter wird ein Optimierungsalgorithmus implementiert. Mit Hilfe der "Methode der kleinsten Quadrate"
werden Parametersätze gefunden, mit welchen eine Näherungslösung erreicht wird. Für die Identifikation wird das Ergebnis der Simulation mit einer Referenz verglichen.
1.5 Vorgehensweise
An die Vorgehensweise
1. Literatur bzw. Herstellerrecherche
2. Entwicklung und Beschreibung Dieselgeneratormodell
− einfache Modellansätze (geringe Anzahl an zu bestimmenden Parametern)
− Validierung des VKM Modells durch Vergleich mit detailliertem Referenzmodell (siehe 4.3.1.1)
− Validierung des Gesamtmodells durch den Vergleich mit den zur Verfügung gestellten Messdaten eines 72.5 kVA Dieselgenerators (siehe 6.1)
3. Simulationen
− Variation der zu bestimmenden Parameter
− Parameteridentifikation mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus
− Simulationsbeispiele
ist auch die Gliederung der vorliegenden Arbeit angelehnt. Im 2. Abschnitt Systembeschreibung werden Ergebnisse der Recherche dargestellt. Der 3.- und 4.- Abschnitt widmet sich der Modellentwicklung und Validierung. Im 3. Abschnitt ist die Beschreibung des Modells enthalten. Ausgehend vom Modellkonzept werden der mechanische und der elektrische Teil des Dieselgeneratormodells beschrieben. Im 4.
Abschnitt sind die einzelnen Teilblöcke des Simulink-Modells anhand derer Koppelpläne und den verwendeten Parameter erklärt. Zum Abschluss des 4. Abschnitts ist die Validierung des Modells angeführt. Des Weiteren werden noch Simulationsbeispiele und Messverläufe in den zwei nachfolgenden Kapiteln exemplarisch angeführt. Die Vorgehensweise stellt nicht den chronologischen Ablauf der Arbeit dar. Die Gliederung gibt einen Überblick der Arbeitsteile.